化肥配施有機肥對黑土肥力與春玉米產量的影響

逄 娜，程 松，張水梅，袁靜超，劉劍釗，劉松濤，任 軍，梁 堯，蔡紅光

(1.延邊大學 農學院，吉林 延吉 133002；2.吉林省農業科學院 農業資源與環境研究所，農業部東北植物營養與農業環境重點實驗室，吉林 長春 130033)

土壤是重要的自然資源，是人類賴以生存和發展的巨大碳氮庫和生物庫，支撐著作物生產[1]。土壤肥力決定著作物產量高低與品質優劣[2]。施用有機肥是提升土壤肥力的重要途徑[3]。中國農業廢棄物資源豐富，將農業廢棄物轉化為土壤肥力和作物所需的養分是循環農業的重要環節，也是農業綠色發展的基礎[4-5]。當前，以農業廢棄物為來源的有機肥在全國有著較大面積的應用，且種類多樣，明確不同種類有機肥還田對土壤肥力的提升作用是實現土壤高效培肥的前提與基礎。

有機肥還田后可顯著提升土壤有機碳含量與養分供應能力[6]。土壤酶活性作為評價土壤肥力高低的重要指標，與土壤有機質轉化及養分有效性密切相關[7]。單施化肥對土壤酶活性無顯著影響，但配施有機肥后可以顯著提高土壤蔗糖酶活性[8]。玉米秸稈還田后礦化釋放的養分，可顯著提高土壤纖維素酶和脲酶活性[9]，豬糞、牛糞等禽畜糞肥還田可促進土壤生物活性，提高土壤蔗糖酶、脲酶和過氧化氫酶活性[10-11]。由于土壤類型、有機肥品質等因素的差異，不同種類有機肥還田后土壤酶活性的變化各異。

東北黑土土質肥沃、結構良好，為保障區域農業可持續發展提供了得天獨厚的自然優勢。但多年來不合理利用導致黑土肥力退化趨勢明顯，已引起全社會的廣泛關注。東北地區年均畜禽糞便年產量近5億t[12]，同時，東北黑土區作為我國玉米主產區，秸稈資源豐富，年均玉米秸稈產量達1.7億t[13]，實施有機培肥是改善黑土肥力退化現狀、提升黑土可持續生產力的有效措施[14]。因此，綜合評價不同種類有機肥還田對黑土肥力與玉米產量的影響，對于科學指導黑土有機培肥與農業廢棄物的高效利用具有重要意義。本研究基于多年田間定位試驗，探討玉米秸稈與禽畜糞肥等不同種類有機肥還田對土壤有機碳、速效養分與酶活性等肥力因子的影響及多年玉米產量的動態變化，為建立東北黑土有機培肥技術體系、提升黑土肥力與健康提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

本試驗位于吉林省公主嶺市吉林省農業科學院試驗基地(E124°48′33.8″，N43°30′23″)，該地區屬于溫帶大陸性季風氣候，年平均氣溫4～5 ℃，年均降水量450～650 mm，年均日照2 743 h，年均有效積溫2 600～3 000 ℃，無霜期110～140 d，土壤類型為中層黑土。試驗起始于2011年秋季，試驗前該區域土壤基本理化性質為0～20 cm土層：有機碳16.5 g/kg、全氮1.56 g/kg、全磷0.54 g/kg、全鉀18.0 g/kg、pH值6.20，20～40 cm土層：有機碳13.9 g/kg、全氮1.34 g/kg、全磷0.41 g/kg、全鉀17.5 g/kg、pH值6.21。

1.2 試驗設計

試驗起始于2011年秋季，共設置5個處理，分別為單施化肥(NPK)、化肥配施玉米秸稈(NPK+ST)、化肥配施牛糞(NPK+NF)、化肥配施雞糞(NPK+JF)和化肥配施豬糞(NPK+ZF)，每個處理3次重復，各小區面積104 m2。各處理年均化肥施用量為N 200 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 75 kg/hm2，40%氮肥和全部磷、鉀肥以底肥施入，60%的氮肥在玉米拔節期追施。配施玉米秸稈處理為小區當年秸稈全部還田，配施畜禽糞肥處理各有機肥年均投入量為15 000 kg/(hm2·a)，于秋收后撒施于地表，經旋耕混入0～15 cm土層，翌年春季使用免耕施肥播種機進行施肥與播種，采用玉米連作-平播耕種方式，品種為先玉335，種植密度為6萬/hm2。供試有機肥養分性狀列于表1。2012-2016年，試驗區玉米生長季(5-9月)降雨量如圖1。

表1 供試有機肥養分性狀Tab.1 Basic properties of organic manure

圖1 2012-2016年試驗區玉米生長季降雨量Fig.1 Rainfall during maize grow season in experimental site from 2012 to 2016

1.3 土壤樣品采集與測定

土壤樣品于2016年玉米收獲后采集，采用五點采樣法，用土鉆分別采集0～20 cm，20～40 cm土層土壤樣品，剔除動、植物殘體和石塊，風干后過2 mm篩待測。土壤基礎理化指標采用常規分析法測定[15]，土壤活性有機碳采用KMnO4氧化法測定[16]，即能被濃度為333 mmol/L KMnO4氧化的有機碳，為活性有機碳。土壤酶活性采用關松蔭[17]和吳金水等[18]的方法，即脲酶利用靛酚藍比色法(NH3-N mg/(g·d)，37 ℃)，磷酸酶采用磷酸苯二鈉比色法(苯酚μmol/(g·d)，37 ℃)，蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法(葡萄糖mg/(g·d)，37 ℃)，纖維素酶采用蒽酮比色法(葡萄糖 mg/(g·d)，37 ℃)。

1.4 產量測定

2012-2016年，玉米成熟期進行籽粒產量的測定，各小區按13 m2取樣，以14%含水量折算玉米籽粒產量。

1.5 數據處理

采用Excel 2010進行數據處理，SPSS 23.0進行Duncan′s多重比較，Origin 2018進行圖表的繪制。

2 結果與分析

2.1 化肥配施有機肥處理玉米產量的年際間變化

化肥配施有機肥對玉米產量的影響如表2所示，各處理玉米產量年際間呈波動變化。在試驗開始后的第1年(2012年)和第3年(2014年)，與NPK處理相比，各配施有機肥處理對玉米產量的影響不顯著。2013年，與NPK處理相比，NPK+ZF處理玉米產量得以顯著增加，其他處理玉米產量無顯著變化。2015年，NPK+ST處理玉米產量顯著高于NPK和NPK+NF處理，但NPK+NF、NPK+JF、NPK+ZF處理與NPK處理玉米產量間差異不顯著。2016年，化肥配施有機肥各處理玉米產量均顯著高于NPK處理，增幅為6.86%～19.4%，以NPK+ZF處理產量最高，顯著高于NPK+ST和NPK+JF處理，但與NPK+NF處理間無顯著差異。5 a玉米產量平均值的高低表現為NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK+NF>NPK，與NPK處理相比，各處理的增幅分別為11.70%，9.93%，6.17%，4.82%。

2.2 化肥配施有機肥處理土壤有機碳與活性有機碳含量的變化

化肥配施不同種類有機肥處理對0～20 cm土層土壤有機碳含量有不同程度的影響，如圖2-A所示，與NPK處理相比，化肥配施有機肥增加了土壤有機碳含量，其中NPK+NF和NPK+ZF處理土壤有機碳含量的增加達到顯著水平，增幅為11.5%，11.1%。NPK+ST和NPK+JF處理對該土層土壤有機碳含量的影響不顯著。各處理20～40 cm土層土壤有機碳含量間差異不顯著。與NPK處理相比，化肥配施有機肥顯著增加了0～20 cm土層土壤活性有機碳含量(圖2-B)，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF各處理土壤活性有機碳含量的增幅分別為36.2%，39.2%，18.3%，35.4%，其中NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF三者間差異并不顯著，但均顯著高于NPK+JF處理。各處理20～40 cm土層土壤活性有機碳含量間差異不顯著。

表2 化肥配施有機肥處理對玉米產量的影響Tab.2 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on maize yield t/hm2

柱上不同小寫字母代表不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖3同。Different small letters above the bars represent significant difference between different treatments(P<0.05).The same as Fig.3.

2.3 化肥配施有機肥處理土壤pH值和速效養分含量的變化

化肥配施不同種類有機肥對土壤pH值的影響如表3所示。與NPK處理相比，化肥配施有機肥處理增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤pH值，以NPK+NF處理兩土層pH值的增加顯著，增幅分別為4.95%，4.71%。其他處理對兩土層pH值的影響均未達到顯著水平。與NPK處理相比，NPK+NF和NPK+JF處理對0～20 cm土層堿解氮含量的影響不顯著，NPK+ZF處理顯著增加了該土層堿解氮的含量，增幅為11.1%，NPK+ST處理堿解氮含量顯著下降，下降了10.8%；NPK+ZF和NPK+NF處理顯著增加了20～40 cm土層土壤堿解氮的含量，而NPK+ST和NPK+JF處理對該土層堿解氮含量的影響不顯著。與NPK處理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層速效磷含量，增幅分別為1.19，2.68，3.02倍，NPK+ST處理對該土層速效磷含量無顯著影響；NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了20～40 cm土層速效磷含量，增幅分別為1.20，1.73倍，NPK+ST和NPK+NF 2個處理對該土層速效磷含量無顯著影響。與NPK處理相比，NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層速效鉀含量，增幅分別為14.0%，16.2%，19.6%，NPK+ST處理對該土層速效鉀含量無顯著影響；NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF處理對20～40 cm土層速效鉀含量無顯著影響，NPK+ZF處理顯著增加了該土層速效鉀的含量，增幅為11.9%。

表3 化肥配施有機肥處理對土壤pH值和速效養分含量的影響Tab.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil pH and available nutrients contents

2.4 化肥配施有機肥處理土壤酶活性的變化

化肥配施不同種類有機肥對土壤酶活性有不同程度的影響(圖3)。與NPK處理相比，NPK+ST、NPK+NF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層土壤纖維素酶活性，增幅分別為27.0%，29.3%，15.7%，NPK+JF對該土層土壤纖維素酶活性的影響不顯著(圖3-A)。各有機肥處理20～40 cm土層土壤纖維素酶活性的高低表現為：NPK+NF>NPK+ZF>NPK+ST>NPK+JF>NPK，與NPK相比，增幅分別為41.7%，33.2%，19.4%，5.42%。NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性顯著高于NPK處理，增幅分別為54.8%，47.3%，126.0%，88.0%(圖3-B)，其中NPK+JF和NPK+ZF處理間該土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著，NPK+ST和NPK+NF 2個處理間0～20 cm土層土壤蔗糖酶活性差異不顯著。在20～40 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理土壤蔗糖酶活性顯著高于NPK處理，增幅分別為26.8%，19.0%，19.3%，31.4%，配施有機肥處理間無顯著差異。

與NPK處理相比，NPK+JF和NPK+ZF處理顯著增加了0～20 cm土層脲酶活性，增幅分別為16.0%，12.1%，NPK+ST和NPK+NF處理對該土層脲酶活性無顯著影響，NPK+JF處理脲酶活性顯著高于NPK+ST和NPK+NF處理，NPK+ZF、NPK+ST和NPK+NF處理脲酶活性間差異不顯著(圖3-C)。各處理20～40 cm土層土壤脲酶活性間無顯著差異。與NPK處理相比，化肥配施有機肥處理顯著增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤磷酸酶活性(圖3-D)。在0～20 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理磷酸酶活性分別增加87.9%，103.0%，92.8%，124.0%，其中NPK+ZF處理顯著高于NPK+ST、NPK+NF和NPK+JF處理。在20～40 cm土層，NPK+ST、NPK+NF、NPK+JF和NPK+ZF處理土壤磷酸酶活性的較NPK處理分別增加99.5%，94.9%，98.4%，96.9%，各有機肥處理間差異不顯著。

圖3 化肥配施有機肥處理對土壤酶活性的影響Fig.3 Effects of chemical fertilizer combined with organic amendments on soil enzyme activity

3 討論與結論

土壤有機碳是表征土壤肥力的重要指標。增施有機肥是提升土壤有機碳水平的重要途徑。本研究結果表明，與單施化肥相比，連續5 a增施有機肥能夠增加0～20 cm土層土壤有機碳的含量，以化肥配施牛糞和配施豬糞處理對土壤有機碳的積累效果最顯著。土壤有機碳的積累與外源碳投入的數量和質量直接相關，全量秸稈還田處理雖然碳投入量最高，但其較高的C/N比不利于微生物對其分解與利用[19]，導致其腐解與腐殖化過程較慢，對土壤有機碳含量的貢獻不如豬糞和牛糞。豬糞和牛糞中碳含量明顯高于雞糞，因此，二者對土壤有機碳含量的積累作用更加突出。活性有機碳在土壤中不穩定、周轉速度較快，是土壤碳循環的關鍵動力，成為植物營養的主要來源[20]。與單施化肥相比，增施有機肥顯著增加了0～20 cm，20～40 cm土層土壤活性有機碳的含量，不同有機肥處理間以化肥配施雞糞處理最低，由于雞糞的C/N比低，且其活性有機碳的遷移能力比豬糞、秸稈和牛糞低[21]。

與單施化肥相比，化肥配施秸稈對0～20 cm，20～40 cm土層養分有效性的影響均不顯著，這主要與秸稈氮磷鉀養分投入量較低，以及其較高C/N比所造成的土壤堿解氮消耗密切相關[22]。相比之下，牛糞、豬糞與雞糞處理對土壤速效養分含量的積累作用更加明顯。化肥配施不同種類有機肥處理下土壤速效養分的變化更多地取決于畜禽糞肥中養分含量。由此可見，與玉米秸稈全量還田相比，畜禽糞肥的施入更有助于提升土壤速效養分的供應。值得注意的是，化肥配施不同種類有機肥對總有機碳和活性有機碳的影響主要集中于0～20 cm土層，而0～20 cm，20～40 cm土層土壤速效養分對不同種類有機肥處理均有顯著響應，這與有機肥施用條件下土壤速效養分隨水向下運移的特征有關[23]。

土壤酶積極參與土壤中各種生物化學反應，其高低反映了土壤生物的活性與生化反應的程度[24]。纖維素酶和蔗糖酶是表征土壤碳素轉化的速度與程度的指標，化肥配施有機肥處理不同程度地增加了耕層纖維素酶和蔗糖酶的活性，由于有機肥的投入，為土壤微生物活動提供了豐富的碳源底物，同時又增加了養分和能量，促進了土壤相關酶活性的提高[25]。本研究中，化肥配施秸稈和配施牛糞處理耕層土壤纖維素酶活性顯著高于其他有機肥處理(除NPK+ST處理外)，主要由于秸稈與牛糞屬于植物來源，其纖維素含量較高[26]。化肥配施雞糞和配施豬糞處理耕層土壤蔗糖酶含量較高，表明其土壤中高分子有機化合物更易被轉化為能夠被植物和土壤微生物吸收和利用的簡單糖類[27]。農作物秸稈為土壤提供有效的生物活性能量，攜帶大量纖維組分，提供反應底物，另外玉米秸稈的C/N比較高，增加了碳源物質，促進微生物的繁殖，刺激了纖維素酶活性的提高[28-29]。牛糞中含有大量的微生物，土壤纖維素酶活性與微生物豐度有一定的相關性[30-31]。雞糞中含有70%的飼料未被發酵吸收，含有大量的營養物質，為蔗糖酶提供更多的酶促基質[32-33]，而豬糞能夠增加土壤中細菌、真菌和放線菌的數量，有助于提高土壤蔗糖酶的活性[34-35]。脲酶參與土壤中氮素的轉化，本研究中，在0～20 cm土層脲酶活性以化肥配施雞糞和配施豬糞處理較高，表明二者更利于土壤速效氮素的釋放，從而保證植物的養分供應。磷酸酶是土壤有機磷向無機磷的轉化過程的重要產物。本研究，化肥配施豬糞處理耕層土壤磷酸酶活性顯著高于其他有機肥處理，原因在于配施豬糞處理有更高的磷素輸入。

有機培肥對作物產量的提升效果取決于土壤肥力水平、有機肥的品質及施用量[36]。本研究中，在2012-2015年，除個別年份化肥配施秸稈或配施豬糞處理玉米產量顯著高于單施化肥處理外，多數年份配施有機肥處理對玉米產量的影響不顯著，在有機培肥的第5年(2016年)，化肥配施有機肥各處理玉米產量均顯著高于單施化肥。可見，隨著有機肥施用年限的延長，耕層土壤有機碳含量、速效養分供應及酶活性等肥力因子得以明顯改善，從而促進了玉米產量的大幅提升。這與張秀芝等[37]關于有機培肥后黑土玉米產量變化的結果相一致。從多年平均玉米產量來看，化肥配施有機肥比單施化肥處理有所增加，但秸稈全量還田或是增施有機肥處理平均玉米產量間無顯著差異。主要原因可能在于各種有機肥的投入量相對較低，仍需更長時間尺度觀測玉米產量對不同種類有機物料處理差異響應。

5 a連續培肥后，與單施化肥相比，化肥配施牛糞和配施豬糞處理顯著增加了耕層土壤有機碳及其活性組分的含量，而化肥配施秸稈或雞糞對有機碳的提升主要集中于其活性組分；化肥配施豬糞或雞糞對0～40 cm土層土壤速效養分的積累作用優于配施牛糞或秸稈處理；化肥配施有機肥處理對0～20 cm，20～40 cm土層土壤纖維素酶、蔗糖酶、脲酶和磷酸酶活性的提高有積極作用，各種酶活性對不同種類有機肥的響應程度各異。5 a間，各處理玉米產量呈現波動變化，化肥配施有機肥處理的平均玉米產量比單施化肥處理增加4.82%～11.7%，其中，以化肥配施豬糞處理增幅最高。